关键词： CIC滤波器   半字节串行算法   可配置   增益校正  

摘要： 针对超大规模集成电路的发展以及无线射频芯片中带宽可变的需求,提出一种低功耗可配置级联积分梳状(Cascade Integral Comb, CIC)滤波器结构。该结构采用半字节串行算法优化ASIC电路内部位宽,借助多路复用技术减少运算逻辑和存储逻辑单元,并在增益校正部分采用正则有符号数(Canonic Signed Digit, CSD)编码乘法代替全位宽二进制补码乘法,从而实现低功耗目的。信道带宽配置模块选取CIC滤波器采样因子,实现带宽可变功能。通过MATLAB Simulink搭建抽取滤波器模型以验证算法可行性,并采用verilog HDL完成代码设计,仿真结果表明该滤波器可实现2~16倍下采样。基于65 nm COMS标准单元工艺库进行DC综合和ASIC版图设计,与传统CIC滤波器比较,数字电路在功耗方面具有显著优势。

关键词： 近似计算   近似浮点乘法器   部分积概率分析   低功耗  

摘要： 浮点乘法器是高动态范围(HDR)图像处理、无线通信等系统中的关键运算单元,其相比于定点乘法器动态范围更广,但复杂度更高。近似计算作为一种新兴范式,在受限的精度损失范围内,可大幅降低硬件资源和功耗开销。该文提出一种16 bit半精度近似浮点乘法器(App-Fp-Mul),针对浮点乘法器中的尾数乘法模块,根据其部分积阵列中出现1的概率,提出一种对输入顺序不敏感的近似4-2压缩器及低位或门压缩方法,在精度损失较小的条件下有效降低了浮点乘法器资源及功耗。相较于精确设计,所提近似浮点乘法器在归一化平均错误距离(NMED)为0.0014时,面积及功耗延时积方面分别降低20%及58%;相较于现有近似设计,在近似位宽相同时具有更高的精度及更小的功耗延时积。最后将该文所提近似浮点乘法器应用于高动态范围图像处理,相比现有主流方案,峰值信噪比和结构相似性分别达到83.16 dB和99.9989%,取得了显著的提升。

关键词： 低功耗   无线   混合组网   集群型   Mesh  

摘要： 能源互联网低功耗无线技术研究主要是对能源互联网的物理层微功率无线传感网组网技术进行论述，侧重解决能源互联网的最后一公里的网络建设，文章介绍了微功率无线传感网的Mesh组网方式、星型组网方式、集群型无线混合组网方式，其中重点介绍了集群型无线混合组网方案的设计与实现，针对微功率无线传感网感知末端要求低功耗的应用场景，集群型无线混合组网方案能够有效的解决通用无线传感网要求通信效率高、距离远、功耗低等多种优势难以兼备的难题。

关键词： 物联网   低功耗广域网   技术   应用  

摘要： LPWAN技术是物联网领域的一个重要分支,能够保证设备在低功耗的条件下实现长距离通信.首先,本文介绍了LPWAN技术的基本原理,包括低功耗特性、广域覆盖能力和网络架构.重点分析了主要的LPWAN技术,如LoRaWAN、NB-IoT和Sigfox,并比较了它们的技术特点.其次,本文还探讨了LPWAN在智能城市、工业和农业等领域的具体应用,特别是在城市基础设施管理、环境监测、能源管理、工业自动化、精准农业以及供应链管理等方面的作用.最后,本文探讨了LPWAN技术的未来发展和应用前景.

关键词： 测井仪   煤矿井下   数据采集   低功耗   钻孔轨迹  

摘要： 自然伽马测井因其可有效识别钻遇地层岩性的特点,在煤矿井下逐步得到应用。基于对测井仪特殊应用环境的分析,提出了测井仪中采控一体化电路设计要求及其具备的功能模块,并设计了以微功耗、高性能、高集成度的STM32单片机为核心的采控一体化电路。在实验室环境下,对采控一体化电路进行了测试,测试结果表明,该电路工作性能稳定、功耗低,可按照预设配置参数有效采集、存储待测信息并经无线WiFi上传。

关键词： 触发器   隧穿场效应晶体管   低功耗   正偏p-i-n电流  

摘要： 近年来,集成电路产业发展迅速,对集成电路的低功耗要求越来越高。触发器作为数字集成电路的基本单元,被广泛运用于大规模和超大规模集成电路之中。因此,降低触发器的功耗对整个数字系统是非常重要的。然而,随着器件特征尺寸进入到纳米级别,金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET）的功耗问题和在低压下工作的局限性逐渐显露出来。由于隧穿场效应晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor,TFET）特殊的带带隧穿导通机制,使其亚阈值摆幅可以突破60m V/dec的界限,此外,TFET晶体管以其关态电流低、不受短沟道效应影响等优势备受业界关注。因此,利用TFET器件的优势进行低功耗触发器的设计具有重要意义。基于此,本文提出了一种基于TFET器件的无冗余翻转触发器（redundant-transition-free flip-flop based on TFET,TRFF）。本论文的主要工作内容如下: 一、首先分析了工艺微缩下,MOSFET器件呈现出的局限性和TFET器件的优势,其次详细介绍了TFET器件的工作原理和输出特性,着重分析TFET器件正偏p-i-n电流对电路的影响。最后分析现有典型触发器的电路结构、工作原理和优缺点。 二、在详细分析TFET器件输出特性和触发器机理的基础上,基于TFET器件提出了一种无冗余翻转的触发器电路结构（TRFF）,并基于Cadence软件对提出的结构进行功能仿真,仿真结果验证了电路结构的有效性。 三、在上述基础上,基于TFET器件,完成了TRFF触发器与典型触发器电路（包括XCFF、TSPC、S2CFF和CSRFF）的性能对比分析。仿真结果表明,在0.6V的工作电压下,TRFF触发器的平均静态功耗相对于XCFF、TSPC、S2CFF和CSRFF分别降低了24.5%、4%、19.3%和13.4%;当开关活动因子α为典型值即20%时,触发器的平均功耗相比于XCFF、S2CFF、CSRFF分别降低了80.5%、21.3%、13.9%和12.1%,相比于TSPC增加了20%,但TSPC通过节点电容保持逻辑状态,而TRFF依靠反馈回路锁存数据;另外,在温度波动和电压波动情况下TRFF均具有较好的稳定性。最后,对本文提出的TRFF结构完成了MOSFET和TFET器件两种器件下的平均静态功耗对比分析,进一步验证了设计的有效性。

关键词： 电池供电   超低功耗   LEA   涡街流量计  

摘要： 在工业生产过程中,通常使用涡街流量计对管道中的介质流体进行测量。而对于天然气测量、西气东输、南水北调中特殊的野外应用场景,常规型涡街流量计引线费用过高,因此,大多使用电池供电型涡街流量计代替。而当前市场中的电池供电型涡街流量计存在多种问题,例如,功耗高、功能不全面、精度低等,针对此情况本文设计了一款支持电池供电的双供电型涡街流量计,研究并实现了超低功耗型数字式涡街流量计系统,具有较好的整体性能。 本文根据特殊的工业环境需求,针对电池供电型超低功耗型数字式涡街流量计系统进行了功能规划和方案设计,功能模块主要包含电源管理模块、涡街信号调理模块、数字信号处理模块、温压测量模块、液晶显示模块、按键输入模块、脉冲输出模块、电流输出模块、无线通信模块、欠压监测模块、复位功能模块、掉电保护模块。方案设计着重考虑超低功耗和高精度的双重需求,并贯穿到系统实现的各个环节。设计了高转换效率的双电源供电自动切换电路。设计了基于模拟多路复用开关的可变增益型涡街信号调理电路,可以根据流量频率自动选择增益通道,大大提高了小流量情况下仪表的抗干扰能力,同时,避免了大流量信号过饱和的问题。设计了基于负载开关的供电可控型温压测量电路,在不需要温压补偿时可降低模拟电路功耗。基于带LEA的低功耗单片机MSP430FR5043设计系统,采用低功耗模式与正常工作模式相嵌套的方式降低数字系统功耗。实现了基于LEA的FFT算法,极大提升了数字信号处理速度,有效缩短了工作模式的时长。为流量测量、温压补偿、液晶显示、无线通信、电流输出和脉冲输出功能设计了间歇式的工作方式,在满足多元化仪表功能需求的同时有效控制了系统功耗。 针对搭建的电池供电型超低功耗数字式涡街流量计系统进行了模块化测试、气体标定测试和系统功耗测试。电路设计满足设计需求、气体标定精度达到1.0级、有效提升了小流量的抗瞬态干扰能力、电池供电状态下系统平均功耗为260.92u A,使用10Ah电池可正常运行四年,整体性能较以往产品有了较大提升。

关键词： 微动勘探   信号采集系统   上位机   多线程   TCP/IP  

摘要： 随着城市化进程的不断推进,地下空间的开发利用也逐步成为城市化工作重心内容,那么对城市地下空间的地质现状的研究及开发手段自然成为关注的焦点及热门研究方向。常规的地球物理勘探技术有钻孔、高密度电法、浅层地震反射法等,而这些传统方法在城市环境中有一定的局限性和不足,如成本较高,电磁干扰,或对城市地表有一定的破坏。微动探测技术作为一种新型勘探技术,已经逐渐成为地质勘查的重要手段,该技术从城市背景噪声中提取出有效信息,不破坏现有场地,抗干扰能力强,非常符合城市地下空间的探测需求。高质量的数据是微动资料反演结果正确的前提,而目前进行微动勘探作业时主要使用通用的地震数据采集仪器,成本较高,功能冗余,因此,本文设计开发了一套操作便捷、采集效率高、可靠性高的智能微动信号采集系统,专用于进行微动勘探数据采集。本文在调研微动勘探技术原理、勘探流程以及当前主流的采集系统后,总结出智能微动信号采集系统需求,并对系统框架进行了总体设计。本系统由上位机,采集器和云服务器三部分构成,为了解决传统地震数据采集系统的缆线成本高、布设麻烦等问题,本系统采用分布式离线采集方式收集信号数据,由一个上位机控制多个采集器,在下达任务后采集器能够独立进行采集作业;为了提高数据传输的可靠性,基于TCP协议之上设计了自定义的应用层协议,通过该协议格式实现三者之间的可靠传输与通信。上位机通过socket和多线程技术相结合实现对多个采集器连接通信与并行处理,提高了传输效率,同时实现了工程管理模块、指令交互模块、数据处理及可视化模块,其中数据处理包括数据存储、频谱分析、FIR滤波以及数据重采样。采集器采用STM32F429芯片作为控制器,将采集任务配置参数保存至SD卡中,配合AD7177模数转换器以及GPS模块在无连接的情况下独立完成采集任务。本系统搭建了阿里云轻量应用服务器,基于集合与哈希表实现中转站功能,完成远程连接,并利用心跳包管理已保存的信息,防止内存泄漏。最后,对采集系统搭建测试环境并验证各功能模块,实验结果表明,系统各功能模块能够正常运行,实现数据的稳定采集、存储、传输、处理以及可视化。

关键词： 中子谱仪   中子剂量   卫星载荷   低功耗   读出电子学  

摘要： 空间中辐射环境极为复杂,尤其是近地轨道附近的辐射带,包含银河宇宙射线、太阳高能粒子以及各类次级粒子。探测近地轨道的中子有助于更加深入地理解空间科学问题,如辐射带粒子来源,太阳对粒子的加速原理等。由于中子不带电,通常使用间接方式来进行探测,探测过程常常受到带电粒子和次级中子的影响,导致中子探测误差较大。中子谱仪搭载在小卫星MN30-4上,执行近地轨道的中子探测任务,探测的中子为热中子和能量小于20 MeV的快中子。本文设计了中子谱仪探测器的类型和排布方式:共使用1 5片硅探测器,使用核反应法和反符合方式进行中子探测,使用6LiF转换层对热中子进行转换,使用高密聚乙烯转换层对快中子进行转换,并使用钆(Gd)制成的屏蔽层对中子谱仪的非探测面进行屏蔽。以上的设计可以一定程度上去除带电粒子和次级中子的影响,提高中子探测的准确性。本文设计了中子谱仪的系统总体架构,其电子学部分包含三块电路板,分别为电源板、前端板、数据板。电源板设计了低噪声的电源模块,负责中子谱仪中各个器件的供电以及探测器偏压的产生。前端板连接探测器,使用SKIROC2A芯片作为前端读出芯片。数据板包含FPGA、单片机和存储器等芯片,FPGA对前端板进行控制和数据读出,读出的数据通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)传输至STM32单片机进行保存,同时设计了 CAN总线与以太网接口,负责与卫星的通信。最终组装的中子谱仪正样外壳为铝合金材质,使用阳极氧化处理其表面,外壳长宽高分别为93 mm、87 mm、93 mm,总重量为791 g。为验证中子谱仪设计的有效性和准确性,对前端读出芯片的基本性能进行了测试,读出电路各通道基线不一致性小于17个ADC码,所有通道的RMS小于2.0个ADC码,放大及转换电路线性度大于0.99。中子谱仪测试了各个接口及功能,与卫星进行了联调测试。在完成基本测试后,在国内多个加速器和辐射源,使用241 Am-α源、14 MeV中子束流、2.5 MeV中子束流、241 Am-Be中子源、14 MeV质子束流等实验装置对中子谱仪进行测试,在各项实验中,中子谱仪取得的数据与模拟结果吻合良好,符合设计预期。同时基于中子谱仪,设计制造了一款中子剂量仪,可为航天员出舱或是未来登月任务提供中子剂量测量的服务。为减小体积和降低功耗,中子剂量仪相较于中子谱仪适当缩减了探测器规模,并使用分立元件搭建放大电路和采样保持电路,使用了包含内部ADC的低功耗MSP430单片机作为主控芯片进行数据的读出与处理。使用函数信号发生器对中子剂量仪进行测试,中子剂量仪放大和读出电路工作良好,线性度大于0.998,整机额定功耗11.7 mW,可以实现长达10天的工作时间。